磁悬浮惯性稳定平台控制技术研究

发布时间：2018-04-05 21:19

  本文选题：磁悬浮惯性稳定平台　切入点：磁轴承　出处：《国防科学技术大学》2015年博士论文

【摘要】：为了满足我国高分辨率对地观测的需要,研制具有我国自主知识产权的高精度航空遥感惯性稳定平台的需求日益迫切。近年来,基于磁悬浮技术的惯性稳定平台受到了人们的关注。由于磁悬浮轴承的低振动、无摩擦和大力质比等特性,有望进一步提高惯性稳定平台的稳定精度。论文以磁悬浮惯性稳定平台二级稳定系统为研究对象,从动力学建模,磁悬浮系统控制与实验,框架系统摩擦补偿与实验,二级系统耦合分析与控制策略和二级稳定系统协调控制方法等五个方面,对磁悬浮惯性稳定平台控制技术展开研究。根据磁悬浮惯性稳定平台的基本结构和工作原理,采用Newton-Euler方法,对磁悬浮惯性稳定平台系统整体建立了非线性动力学模型,并根据系统的动力学模型进行简化得到线性的简化模型,用于控制器的设计和性能分析。在大负载磁悬浮系统控制技术研究方面,提出了大负载轴向磁悬浮系统的分步调参调试方法,超前滞后控制方法,建立了基于PXI/FPGA系统的轴向多点悬浮和径向悬浮实验的快速控制原型系统,并对控制方法进行了验证。在框架稳定系统的摩擦补偿技术研究方面,提出了改进Karnopp摩擦补偿方法及其参数辨识方法,建立了基于DSP的框架系统在线辨识实验方法,并对摩擦补偿方法进行了实验验证。对磁悬浮和框架组成的二级系统的协同控制策略和耦合效应进行了深入的分析,提出了磁悬浮二级稳定系统设计有效性的三个性能约束条件,在此基础上揭示了磁悬浮倾斜位移负刚度的耦合作用机理,分系统性能对整体性能的意义以及粗精两级转动惯量比的选取原则,并提出了磁悬浮二级稳定系统进行有效设计的一般流程。在基于外稳定内补偿控制策略的结构上,设计了具有更高稳定精度的二级稳定系统协调控制器,通过考虑各种实际影响因素的仿真,验证了控制系统的性能。磁悬浮惯性稳定平台是我国的自主创新,作者所在研究团队研制出了磁悬浮惯性稳定平台的原理样机,并正在开展工程样机的研制。本文的研究工作具有开创性,其研究成果对磁悬浮惯性稳定平台的研制提供了关键的理论与技术支撑。
[Abstract]:In order to meet the needs of high-resolution earth observation in China, it is urgent to develop a high-precision inertial stability platform for aviation remote sensing with independent intellectual property rights in China.In recent years, the inertial stabilization platform based on maglev technology has attracted people's attention.Due to the low vibration, non-friction and mass ratio of magnetic bearing, it is expected to further improve the stability accuracy of inertial stabilization platform.This paper takes the two-stage stabilization system of the maglev inertial stabilization platform as the research object, from the dynamic modeling, the control and experiment of the maglev system, the friction compensation and experiment of the frame system.In this paper, the control technology of maglev inertial stabilization platform is studied from five aspects: coupling analysis and control strategy of two-stage system and coordinated control method of two-stage stabilization system.According to the basic structure and working principle of the maglev inertial stabilization platform, a nonlinear dynamic model is established for the whole system of the maglev inertial stabilization platform by using the Newton-Euler method.According to the dynamic model of the system, the linear simplified model is obtained, which can be used in the design and performance analysis of the controller.In the aspect of research on control technology of large load maglev system, this paper puts forward the method of adjusting step by step and leading lag control method of axial maglev system with large load.The rapid control prototype system of axial multi-point suspension and radial suspension experiment based on PXI/FPGA system is established, and the control method is verified.In the aspect of friction compensation technology of frame stabilization system, an improved Karnopp friction compensation method and its parameter identification method are proposed. An online identification experiment method of frame system based on DSP is established, and the friction compensation method is verified by experiments.The cooperative control strategy and coupling effect of the secondary system composed of maglev and frame are analyzed, and three performance constraints for the design effectiveness of the two-stage maglev stability system are proposed.On this basis, the coupling mechanism of the magnetic levitation tilting displacement negative stiffness, the significance of the subsystem performance to the overall performance and the principle of selecting the ratio of the coarse and fine two-stage rotational inertia are revealed.A general flow chart for effective design of maglev two-stage stabilization system is presented.Based on the structure of external stability and internal compensation control strategy, a two-stage stabilization system coordination controller with higher stability accuracy is designed. The performance of the control system is verified by simulation considering various practical factors.The maglev inertial stabilization platform is an independent innovation in our country. The author has developed a prototype of the maglev inertial stabilization platform in the research team and is developing the engineering prototype.The research work in this paper is groundbreaking, and the research results provide the key theoretical and technical support for the development of the maglev inertial stabilization platform.
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V243.5

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本文编号：1716507